基于資源受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問(wèn)題研究.pdf

1、基于資源受限的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題一直是困擾WSN邁向成熟的瓶頸。圍繞微波無(wú)線通信的特點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗的WSN應(yīng)用算法正成為解決上述瓶頸的一個(gè)有效途徑。通過(guò)適當(dāng)控制WSN節(jié)點(diǎn)密度、使冗余節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間處于休眠以節(jié)省能量，研究網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能耗分布以指導(dǎo)其部署策略，將能量有效性設(shè)計(jì)思想與計(jì)算可行性的安全算法相結(jié)合解決微波無(wú)線通信安全問(wèn)題，將網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)用于指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的MAC層無(wú)線接入以實(shí)現(xiàn)DPM機(jī)制的跨層協(xié)議設(shè)計(jì)等都是解決上述問(wèn)題的必然策略。本文

2、通過(guò)將微波無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)、理論分析方法與網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)相結(jié)合，對(duì)WSN基于資源受限的若干相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。
　　 本文圍繞微波無(wú)線通信資源受限的特點(diǎn)，對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)三部分進(jìn)行了詳細(xì)綜述，分析了目前傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展亟待解決的資源受限相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的概括和總結(jié)，為本文在微波通信基礎(chǔ)上所研究的包括節(jié)點(diǎn)密度控制、節(jié)點(diǎn)能耗分布估計(jì)

3、在內(nèi)的能量有效性相關(guān)問(wèn)題以及安全問(wèn)題和協(xié)議跨層設(shè)計(jì)等，提供詳細(xì)的技術(shù)方法與基礎(chǔ)理論研究支持。
　　 研究了WSN在微波無(wú)線通信資源受限條件下利用節(jié)點(diǎn)密度控制達(dá)到網(wǎng)絡(luò)能量有效性的相關(guān)問(wèn)題。通過(guò)覆蓋效用范圍與連通效用范圍之間的幾何分析與證明，簡(jiǎn)化了區(qū)域覆蓋與網(wǎng)絡(luò)連通性問(wèn)題的一致性策略。為了比較分布式密度控制算法的優(yōu)劣，提出了WSN密度控制問(wèn)題的整數(shù)線性規(guī)劃(ILP)普遍表達(dá)形式。針對(duì)不同覆蓋區(qū)域的WSN應(yīng)用覆蓋度需求，與以往基于充分

4、條件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷原則不同，提出了基于蒙特卡羅算法的節(jié)點(diǎn)密度控制機(jī)制和覆蓋沖突避免與隨機(jī)退避機(jī)制。與其他覆蓋控制算法相比，本文提出的蒙特卡羅算法不僅可以以較少的活躍節(jié)點(diǎn)對(duì)覆蓋區(qū)域完成覆蓋，還可動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)覆蓋效用范圍內(nèi)子區(qū)域的覆蓋度。同時(shí)，本文提出的覆蓋沖突避免與隨機(jī)退避機(jī)制可以保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。
　　 研究了基于能量有限的節(jié)點(diǎn)能耗分布估計(jì)以便指導(dǎo)WSN網(wǎng)絡(luò)部署的能量有效性相關(guān)問(wèn)題。比較了收集型與協(xié)作型兩類微波無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)

5、壽命求解模型。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗建模與軸對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)均勻部署建模以及能耗分析，提出了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗EC估計(jì)曲線。通過(guò)推導(dǎo)得出結(jié)論：為了最大化網(wǎng)絡(luò)壽命，基站的最佳位置應(yīng)位于信息重心。與其他針對(duì)協(xié)作型網(wǎng)絡(luò)所做的網(wǎng)絡(luò)壽命上限研究模型相比，本文提出的EC能耗曲線提供了對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能耗分布估計(jì)，即可為能量有效性的網(wǎng)絡(luò)部署提供理論指導(dǎo)，又可為評(píng)價(jià)路由協(xié)議的能量有效性提供了一個(gè)絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　 研究了資源受限的WSN微波無(wú)線通信安全算法，

6、分析了在能量約束，無(wú)線通信帶寬、計(jì)算處理能力等資源受限條件下安全算法應(yīng)用的局限性以及網(wǎng)絡(luò)易受到的攻擊方式。對(duì)橢圓曲線密碼ECC算法在WSN中的可行性進(jìn)行了論證。提出了基于單向累加器OWA和Bloom Filter相結(jié)合的節(jié)點(diǎn)認(rèn)證機(jī)制，針對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)分析了兩種算法的加強(qiáng)方案。相比于WSN的預(yù)共享密鑰與隨機(jī)密鑰預(yù)分配機(jī)制，本文提出的認(rèn)證機(jī)制在滿足節(jié)點(diǎn)資源需求的條件下，即可以使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)之間建立安全連接，又可以支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入

7、與退出，同時(shí)不會(huì)使攻擊者俘獲局部節(jié)點(diǎn)便造成全網(wǎng)癱瘓。
　　 研究了基于資源受限的微波無(wú)線通信協(xié)議跨層設(shè)計(jì)問(wèn)題。從微波無(wú)線通信信道的特點(diǎn)、接入方式和WSN應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)特征三個(gè)方面論述了跨層協(xié)議設(shè)計(jì)的必要性。通過(guò)深入分析Zigbee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其兩種無(wú)線通信機(jī)制在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)里應(yīng)用的局限性，將系統(tǒng)運(yùn)行周期分為三類階段，提出了CSMA/CA與TDMA無(wú)線接入相結(jié)合的跨層方案，引入節(jié)點(diǎn)的“盲等”策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸階段與路由恢復(fù)階